(57)【要約】  【課題】  エネルギー消費を極力抑えて、燃料電池の動作が停止している際にも当該燃料電池の温度を正確に監視できるようにした燃料電池システムを提供することである。  【解決手段】  燃料電池１０と、燃料電池１０に冷却液を供給して循環させる冷却液循環装置（２０、２１）と、前記冷却液の温度を検出する温度検出手段２２とを有する燃料電池システムであって、燃料電池１０の動作が停止しているときに、断続的に前記冷却液循環装置を運転させる冷却液循環運転制御手段３０（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７）と、冷却液循環制御手段３０にて前記冷却水循環装置が運転している間に、温度検出手段２２にて検出される前記冷却液の温度を前記燃料電池の温度として取得する温度取得手段３０（Ｓ８）とを有する構成となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に冷却液を供給して循環させる冷却液循環装置と、前記冷却液の温度を検出する温度検出手段とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の動作が停止しているときに、断続的に前記冷却液循環装置を運転させる冷却液循環運転制御手段と、
前記冷却液循環制御手段にて前記冷却液循環装置が運転している間に、前記温度検出手段にて検出される前記冷却液の温度を前記燃料電池の温度として取得する温度取得手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却液循環運転制御手段は、一定時間間隔にて前記冷却液循環装置を運転させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度検出手段での検出温度に応じて前記冷却液循環装置を運転させる時間間隔を制御する間隔制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記間隔制御手段は、検出温度の時間当たりの変化率が大きいほど前記冷却液循環装置を運転させる時間間隔を短く制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池は、発電を開始するときの要求電力が所定量以上となるときにその要求電力に応じた冷却液供給出力で前記冷却液循環装置を運転させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却液を循環させて冷却のなされる燃料電池を有し、前記冷却液の温度を前記燃料電池の温度として検出するようにした燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池では、燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス（空気））が高分子電解質膜を透過するプロセスにおいて反応して起電力が発生する。このような燃料電池の動作中に発生する熱による当該燃料電池の温度上昇を抑えるために、当該燃料電池システムには、一般に、燃料電池に冷却水を供給して循環させる冷却水循環装置（冷却水の循環経路及びウォータポンプ等を含む）が設けられている。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料電池が正常に動作しているか否かを判断するために、燃料電池の温度を監視することがなされる。この場合、通常、燃料電池内を通って排出される冷却水の温度を検出することで当該燃料電池の温度を間接的に検出している。これにより、冷却水の検出温度が正常となる温度範囲から逸脱した場合に、当該燃料電池の動作が正常ではないものと判断することができる。
【０００４】
ところで、燃料電池と二次電池とを備え、要求電力（出力）が前記燃料電池の発電効率が良好とならない範囲のものとなる場合には、燃料電池の動作を停止させて二次電池から負荷（例えば、モータ）に電力を供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなシステムによれば、燃料電池での発電の無駄を抑えることができ、燃料電池と二次電池とを有するシステム全体としての効率を向上させることができるようになる。
【０００５】
前述したような燃料電池と二次電池とを備えたシステムのように、燃料電池が間欠的に動作するシステムでは、燃料電池の動作が停止している場合には、エネルギーの無駄を省くために冷却水循環装置の運転を停止させることが一般的である。一方、燃料電池の温度状態を当該燃料電池の動作が停止している場合にも監視したいという要請もある。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５８号公報
【特許文献２】特開２００３−３６８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池の動作が間欠的になされる燃料電池システムのように、燃料電池の動作が停止し、その冷却水循環装置の運転が停止している状態で、その冷却水の温度を燃料電池の温度として検出しても、その検出温度は、正確な燃料電池を表すことにはならない。そこで、燃料電池の動作が停止していても冷却水循環装置の運転を停止させないことが考えられる。しかしながら、この場合、冷却水循環装置を運転するためのエネルギー（電力）消費が大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、前述した従来の問題を解決するためになされたもので、エネルギー消費を極力抑えて、燃料電池の動作が停止している際にも当該燃料電池の温度を正確に監視できるようにした燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に冷却液を供給して循環さ
せる冷却液循環装置と、前記冷却液の温度を検出する温度検出手段とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の動作が停止しているときに、断続的に前記冷却液循環装置を運転させる冷却液循環運転制御手段と、前記冷却液循環制御手段にて前記冷却液循環装置が運転している間に、前記温度検出手段にて検出される前記冷却液の温度を前記燃料電池の温度として取得する温度取得手段とを有する構成となる。
【０００９】
このような構成により、燃料電池の動作が停止しているときに、冷却液循環装置が断続的に運転され、その冷却循環装置が運転している間に冷却液の温度が検出される。そして、その検出温度が前記燃料電池の温度として取得される。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記冷却液循環運転制御手段が、一定時間間隔にて前記冷却液循環装置を運転させる構成とすることができる。
【００１１】
このような構成により、冷却液循環装置が一定時間間隔にて運転される際に、冷却液の検出温度が燃料電池の温度として取得される。これにより、燃料電池の動作が停止している間に、一定時間間隔にて当該燃料電池の温度が取得されるようになる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記温度検出手段での検出温度に応じて前記冷却液循環装置を運転させる時間間隔を制御する間隔制御手段を有する構成とすることができる。
【００１３】
このような構成により、燃料電池の状況を表し得る冷却水の検出温度に応じて当該燃料電池の温度を取得する頻度を制御することができるようになる。例えば、検出温度が高いほど冷却液循環装置を運転させる時間間隔を小さく、即ち、冷却液循環装置の運転頻度を高くすることができ、それに伴って燃料電池の温度取得の頻度を高くすることができるようになる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記間隔制御手段は、検出温度の時間当たりの変化率が大きいほど前記冷却液循環装置を運転させる時間間隔を短く制御するようにしてもよい。このような構成により、検出温度の時間当たりの変化率が大きいほどきめ細かい温度検出が可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、発電を開始するときの要求電力が所定量以上となるときにその要求電力に応じた冷却液供給出力で前記冷却液循環装置を運転させる手段を有する構成とすることができる。
【００１６】
このような構成により、要求電力が所定値以上となる場合に、強制的に燃料電池を冷却することができるようになる。従って、所定値以上の要求電力によって燃料電池が起動されても、その起動時の急激な温度上昇を抑制することができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の動作が停止しているときに、冷却液循環装置は断続的にしか運転されないので、冷却液循環装置の運転に伴うエネルギー消費を極力抑えることができる。また、前記断続運転される冷却液循環装置のその運転期間に冷却液の検出温度が燃料電池の温度として取得されるので、燃料電池の動作が停止している際にも当該燃料電池の温度を正確に監視できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１９】
本発明の実施の一形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように構成される。なお、この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載され、アクセル操作量（要求電力）に応じて燃料電池から負荷（例えば、駆動モータ）への電力供給と二次電池から当該負荷への電力供給とを切り換えるシステムに含まれるものである。即ち、この燃料電池システムは、アクセル操作量に応じて、燃料電池から負荷に電力を供給する通常運転と、燃料電池を停止して二次電池から負荷に電力を供給する間欠運転とを繰り返す。
【００２０】
図１において、この燃料電池システムは、例えば、固体高分子型燃料電池となる単セルを複数積層した構造（スタック）の燃料電池１０を有している。燃料電池１０には冷却水循環経路２０が設けられ、その冷却水循環経路２０には冷却水を循環させるためのウォータポンプ２１が設けられている。冷却水循環経路２０とウォータポンプ２１とが、本発明の冷却液循環装置に相当する。これら冷却水循環経路２０及びウォータポンプ２１にて冷却水循環装置が構成される。また、燃料電池１０の排出口に接続される冷却水循環経路２０の端部に温度検出器２２（本発明の温度検出手段に相当）が設置されている。
【００２１】
制御ユニット３０は、上位のシステムから供給される燃料電池１０が動作中であるかその動作が停止しているかを表す動作制御信号（ＦＣ動作制御信号）と温度検出器２２からの燃料電池１０から排出される冷却水温度を表す検出信号とを入力する。制御ユニット３０は、前記ＦＣ動作制御信号と温度検出器２２からの検出信号に基づいてウォータポンプ２１の運転制御を行なうと共に、温度検出器２２からの検出信号に基づいた燃料電池１０の温度（起動時ＦＣ温度）を上位のシステムに提供する。
【００２２】
制御ユニット３０は、図２に示す手順に従って処理を実行する。
【００２３】
図２において、制御ユニット３０は、上位のシステムからのＦＣ動作制御信号に基づいて燃料電池１０の動作が停止しているか否かを判定する（Ｓ１）。燃料電池１０が動作中である場合（Ｓ１でＮＯ）、図示されていないが、制御ユニット３０は、所定周期にて温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水の検出温度を燃料電池１０の温度として取得し、その温度を燃料電池１０が起動する際の温度（起動時ＦＣ温度）として上位のシステムに提供する。
【００２４】
制御ユニット１０は、負荷への電力供給源が燃料電池１０から二次電池に切り換えられた際のＦＣ動作制御信号の状態に基づいて燃料電池１０の動作が停止していると判定すると（Ｓ１でＹＥＳ）、温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度が所定の閾値Ｔth（例えば、６０℃）より低いか否かを判定する（Ｓ２）。冷却水温度が前記閾値Ｔth以上である場合には、前述した処理（Ｓ１、Ｓ２）を繰り返し実行する。これにより、燃料電池１０の動作が停止した直後においてまだその温度、即ち、冷却水温度が比較的高い状態では、ウォータポンプ１０の運転が維持されて冷却水の循環が継続される。
【００２５】
前記冷却水温度が前記閾値Ｔthより低くなると（Ｓ２でＹＥＳ）、制御ユニット３０は、温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度を燃料電池１０の起動時の温度（起動時ＦＣ温度）として取得する（Ｓ３）。そして、制御ユニット３０は、ウォータポンプ２１を停止させる（Ｓ４）。これにより、冷却水の循環が停止する。制御ユニット３０は、ウォータポンプ２１を停止させた後、ＦＣ動作制御信号の状態に基づいて燃料電池１０の動作が停止しているか否かを確認しつつ（Ｓ５）、その時点から一定時間（例えば、２０秒程度）が経過したか否かを繰り返し判定する（Ｓ６）。
【００２６】
その過程で、前記一定時間が経過すると（Ｓ６でＹＥＳ）、制御ユニット３０は、ウォータポンプ２１を所定時間運転させる（Ｓ７）。そして、制御ユニット３０は、ウォータポンプ２１の運転により冷却水が循環している間に温度検出器２２からの検出信号に基づ
いた冷却水温度にて前記起動時ＦＣ温度を更新する（Ｓ８）。以後、制御ユニット３０は、前述したのと同様の処理（Ｓ５〜Ｓ８）を繰り返し実行し、燃料電池１０の動作が停止している（Ｓ５でＮＯ）間、一定時間間隔でウォータポンプ２１を所定時間運転させて冷却水を循環させながら温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度にて前記起動時ＦＣ温度を更新する。Ｓ５−Ｓ７の処理を実行する制御ユニット３０が、本発明の冷却液循環運転制御手段に相当する。また、Ｓ８の処理を実行する制御ユニット３０が、本発明の温度取得手段に相当する。
【００２７】
前述した処理の過程で、制御ユニット３０は、ＦＣ動作制御信号の状態に基づいて燃料電池１０の動作（発電動作）が開始したことを判定すると（Ｓ５でＹＥＳ）、初期状態（Ｓ１）に戻る。以後、制御ユニット３０は、前述した処理（Ｓ１〜Ｓ８）を繰り返し実行する。
【００２８】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池１０の動作が停止しているときに、ウォータポンプ２１が一定時間間隔でしか運転されないので、ウォータポンプ２１を常時運転させておく場合に比べてウォータポンプ２１の運転に伴う電力消費を低く抑えることができる。また、ウォータポンプ２１が一定間時間間隔にて運転されるその運転期間（所定時間）中の冷却水を循環させた状態で検出される当該冷却水の温度が燃料電池１０の温度（起動時ＦＣ温度）として取得されるので、燃料電池１０の動作が停止している際にも燃料電池１０の温度を正確に監視できるようになる。
【００２９】
なお、燃料電池１０の動作が停止している間に、一定時間間隔で更新される前記起動時ＦＣ温度は、更新される毎に制御ユニット３０から上位のシステムに提供するようにしてもよいし、燃料電池１０の動作が再開される際に（Ｓ５でＹＥＳ）、その時点での起動時ＦＣ温度を上位のシステムに提供するようにしてもよい。これにより、上位のシステムは、燃料電池１０の動作が停止している間、燃料電池１０の動作が再開した際に見込まれる温度を監視すること、あるいは、動作再開時に即座に燃料電池１０の温度を取得することができるようになる。
【００３０】
制御ユニット３０は、図３に示す手順に従って処理を実行することもできる。この例は、燃料電池１０の動作停止時の温度に応じてウォータポンプ２２の運転間隔、即ち、冷却水の温度検出間隔を制御する点で、図２に示す例と異なる。
【００３１】
制御ユニット３０は、図４に示すような、外気温度と冷却水温度との温度差ΔＴと設定時間との対応関係を表すテーブルを有している（図示外の記憶部に保存している）。このテーブルにおいて、外気温度と冷却水温度との温度差ΔＴが大きいほど対応する設定時間ｔ１、ｔ２、ｔ３が大きくなっている（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）。
【００３２】
図３において、制御ユニット３０は、前述したのと同様（図２参照）に、燃料電池１０の動作が停止した後に冷却水の検出温度が閾値Ｔthより低くなると、冷却水の検出温度を起動時ＦＣ温度として取得して、ウォータポンプ２１を停止させる（Ｓ１〜Ｓ４）。そして、制御ユニット３０は、外気温検出器（図示略）からの検出信号と温度検出器２２からの検出信号に基づいて外気温度と冷却水温度との温度差ΔＴを演算し、図４に示すテーブルを参照して前記温度差ΔＴに対応した設定時間を取得する（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理を実行する制御ユニット３０が、本発明の間隔制御手段に相当する。
【００３３】
その後、制御ユニット３０は、燃料電池１０の動作が再開されるか否かを確認しつつ（Ｓ５）、前記設定時間間隔にてウォータポンプ２１を所定時間運転させ、ウォータポンプ２１の運転により冷却水を循環させた状態で温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度にて前記起動時ＦＣ温度を更新する（Ｓ６〜Ｓ８）。
【００３４】
図３に示すような処理によれば、燃料電池１０の停止直前の状況を表し得る冷却水の検出温度に応じて燃料電池１０の温度を取得する頻度が制御されるようになる。具体的には、検出温度が高いほどウォータポンプ１０を運転させる時間間隔が小さくされ、それに伴って燃料電池の温度取得の頻度を高くすることができるようになる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、燃料電池１０から負荷に電力を供給する通常運転と、燃料電池を停止して二次電池から負荷に電力を供給する間欠運転とを繰り返す燃料電池システムにおける、間欠運転時の温度検出処理を説明した。しかし、本発明の実施は、そのような間欠運転時の温度検出処理に限定されるものではない。例えば、燃料電池が低温下で停止後、運転開始時に温度上昇を図るためにウォータポンプ１０を始動しないようなシステムの温度検出処理にも適用できる。
【００３６】
また、上記実施形態では、外気温度と冷却水温度との温度差ΔＴに応じて異なる設定時間間隔にてウォータポンプ２１を所定時間運転し、ウォータポンプ２１の運転により冷却水を循環させた状態で温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度を検知した。このような外気温度と冷却水温度との温度差ΔＴの代わりに、冷却水温度の時間当たりの変化率Δｔに応じて異なる設定時間間隔にてウォータポンプ２１を所定時間運転し、冷却水温度を検出してもよい。例えば、変化率Δｔが大きいほど、設定時間間隔を短くすれば、変化率Δｔが多い場合に、通常より決めの細かい温度検出が可能となる。その場合の制御手順は、図３のフローチャートと同様である。
【００３７】
また、制御ユニット３０は、図５に示す手順に従って処理を実行することもできる。この例は、燃料電池１０の動作が停止している状態において一定時間間隔でウォータポンプ２１を運転させて、冷却水温度を検出する過程で、車両のアクセル操作量が所定値以上となったときにウォータポンプ２１を強制的に最大回転速度で運転させるようにした点で図２に示す例と異なる。
【００３８】
図５において、制御ユニット３０は、前述したのと同様（図２参照）に、燃料電池１０の動作が停止した後に冷却水の検出温度が閾値Ｔthより低くなると、冷却水の検出温度を起動時ＦＣ温度として取得して、ウォータポンプ２１を停止させる（Ｓ１〜Ｓ４）。その後、制御ユニット３０は、アクセル操作量が所定値以上となるか否か（Ｓ２１）、燃料電池１０の動作が開始されたか否か（Ｓ５）を確認しつつ、前述したのと同様（図２参照）に、一定時間間隔でウォータポンプ２１を所定時間運転させ（Ｓ７）、ウォータポンプ２１の運転により冷却水が循環している間に検出される冷却水温度にて起動時ＦＣ温度を更新する（Ｓ８）。
【００３９】
前述した過程で、アクセル操作量が所定値以上（例えば、フル操作量の５０％）になると、即ち、要求電力が所定値以上となって、燃料電池１０の動作条件になると、制御ユニット３０は、強制処理（Ｓ２２）を実行する。この強制処理は、図６に示す手順に従ってなされる。
【００４０】
図６において、制御ユニット３０は、ウォータポンプ２１を最大回転速度にて運転させる（Ｓ２２１）。このようにウォータポンプ２１が最大回転速度にて運転されることにより、燃料電池１０の冷却効果が高められ、その状態で、制御ユニット３０は、温度検出器２２からの検出信号に基づいた冷却水温度にて前記起動時ＦＣ温度を更新する（Ｓ２２２）。その後、制御ユニット３０は、ＦＣ動作制御信号の状態に基づいて燃料電池１０の動作が開始されたか否かを判定し（Ｓ２２３）、まだ、燃料電池１０の動作が開始されていなければ（Ｓ２２３でＮＯ）、検出される冷却水温度にて前記起動時ＦＣ温度を更新する（Ｓ２２２）。
【００４１】
アクセル操作量が前記所定値以上となるということは、要求電力が燃料電池１０の動作開始条件となることから、アクセル操作量が前記所定値以上となったときから、僅かなタイムラグを持って燃料電池１０の動作が開始される。このように燃料電池１０の動作が開始されると、制御ユニット１０は初期状態（Ｓ１）に戻る。
【００４２】
図５及び図６に示す処理によれば、燃料電池１０の動作が停止している状況においてアクセル操作量が所定値以上となったときに、燃料電池の運転開始を予測してウォータポンプ２１が強制的に最大回転速度にて運転されるので、燃料電池１０の動作開始直前において当該燃料電池１０の冷却効果が高められる。従って、燃料電池１０の動作が開始されたときの起動時ＦＣ温度をより低くすることができるようになり、燃料電池１０の起動時における急激な温度上昇を抑制することができるようになる。
【００４３】
図５に示す強制処理（図６参照）において、ウォータポンプ２１を最大回転速度にて運転するようにしたが、通常の回転速度にて運転するようにしても、また、アクセル操作量に応じた回転速度にて運転するようにしてもよい。
すなわち、発電を開始する時点で要求電力が小さい場合には、必ずしもウォータポンプ２１を最大回転速度にて運転する必要はない。したがって、例えば、燃料電池の発電開始時の要求電力の大小、すなわち、アクセル操作量に応じた回転速度パラメータを選択して、ウォータポンプ２１を制御すればよい。このような構成により、発電開始時の要求電力に応じて、上記実施形態の場合よりもさらにきめの細かい制御が可能になる。
【００４４】
前述した燃料電池システムは、負荷（例えば、車両の駆動モータ）に対する電力供給源を燃料電池１０と二次電池とのいずれかに切り換えるシステムに適用されるものであったが、何らかの要因に基づいて燃料電池１０を間欠的に動作させるシステムに適用することができる。また、この燃料電池システムは、車両に搭載されるものに限られず、種々の負荷に対する電力源として燃料電池を用いるシステムに適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上、説明したように、本発明に係る燃料電池システムは、エネルギー消費を極力抑えて、燃料電池の動作が停止している際にも当該燃料電池の温度を正確に監視できるようになるという効果を有し、冷却液を循環させて冷却のなされる燃料電池を有し、前記冷却液の温度を前記燃料電池の温度として検出するようにした燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る燃料電池システムを示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける制御ユニットでの処理手順の第１の例を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける制御ユニットでの処理手順の第２の例を示すフローチャートである。
【図４】図３に示す処理にて使用されるテーブルの一例を示す図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムにおける制御ユニットでの処理手順の第３の例を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す処理手順における強制処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０  燃料電池（スタック）
２０  冷却水循環系
２１  ウォータポンプ
２２  温度検出器
３０  制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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